“夢回巴國”舞臺機械電氣控制系統

宗井彬，劉文月，霍景然

（1.北京星凱達舞臺技術有限公司，北京 100162；2.北京長征天民高科技有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著我國全面加快社會主義精神文明建設步伐，文化建設得到快速發展，并促使大眾對舞臺藝術的呈現效果提出更高的要求。近年來，隨著工業以太網、現場總線的發展，通過工控機、HMI和PLC的合理設計，極大地提高了舞臺機械控制系統的性能，降低了舞臺控制系統的開發及控制難度，減少了開發時間，降低技術成本投入，使舞臺機械控制系統實現網絡化、智能化，同時確保舞臺機械控制系統的可靠性、安全性、易操作性，為我國舞臺技術的發展提供可靠的參考[1-2]。

宣漢縣是國家級貧困縣，貧困人口20.94萬，是四川省貧困人口最多的縣，在達州市委政府的大力支持下，大力發展旅游業，綠水青山就是金山銀山，以文旅扶貧，如今的巴山大峽谷已經是國家AAAA級旅游景區，“夢回巴國”劇場位于巴山大峽谷景區內，是一座現代化的旅游定制秀場劇場，占地面積約5 萬m2，其中建筑占地面積約9000 m2，廣場及景觀占地約4.1 萬m2。巴山大峽谷也將隨著“夢回巴國”的演出啟動，把鄉村旅游推向多元化成長，為旅客們奉獻一套精彩的文化盛宴，打造“游巴山、親巴水、交巴人、夢回巴國”的中國巴文化高地。“夢回巴國”劇目由著名導演哈文及其團隊打造設計，目的是讓世界了解巴文化、知道巴文化，其演出場景圖如圖1所示。

圖1 夢回巴國演出現圖

1 劇場機械組成部分

1.1 觀眾席區機械設備

觀眾席區舞臺機械是由9組升降臺組成，其設備清單如表1所示。升降臺有3個停點位，分別在觀眾席一、二、三層入場口。觀眾進入劇場后，隨著演出情節的發展，使觀眾置身于整個演出之中，增加觀眾的參與感；同時觀眾席的機械升降臺組同步運行，能夠給視覺及觀演實時改變，增加舞臺視覺效果和獨特演出體驗；每個升降臺有4個插銷，在演出結束后，升降臺回到初始位置，插銷插入，防止升降臺意外墜落，增強升降臺的安全性；每組升降臺組單獨配有備用電動機，當控制系統切換到本地模式，手動控制升降臺啟動，供緊急情況和維修維保[3]。劇場機械設備布置圖如圖2所示。

表1 觀眾席區設備清單及技術參數

圖2 劇場機械設備布置圖

1.2 舞臺區機械設備

1.2.1 舞臺區臺下機械設備

臺下機械設備包括臺唇升降臺、前升降臺、4組側升降臺、圓形升降旋轉傾斜升降臺、大布景升降臺，其設備清單如表2所示。

表2 舞臺區臺下設備清單及技術參數

臺唇升降臺是距離觀眾席最近的臺下機械結構，其運動不僅可以運輸道具和演員，還可以將鏡框式舞臺進行畫面分割，呈現出不同比例的畫面，演員獲得更多的表演空間。

前升降臺位于舞臺建筑臺口內側的上方，演出時可以升降。整體結構設計成中空通道，為演出和演員提供不同空間高度的表演區域，同時又可以結合其他機械結構，將整個鏡框式舞臺進行畫面分割，并且使舞臺具有縱深空間的延伸效果。

側升降臺組由4臺升降臺組成，能夠獨立運行，設計安裝在圓形臺左右兩側，在完成演員和布景切換的同時，還可以配合主升降臺運動，從而使得演出畫面和演員調度更加豐富，當4套升降臺組處在不同的高度，使舞臺形成不同的階梯造型。

圓形升降旋轉傾斜臺設計安裝在舞臺上主要的表演區域，是演出劇情發展及觀眾視點主要聚焦區。升降功能可以滿足演員及道具的專場切換；旋轉功能生動的展現舞臺演出的動態美感，旋轉的動作可以打破單一垂直升降臺的視覺效果，從而豐富觀眾的視覺感受；傾斜臺在旋轉的基礎上設計，賦予了主升降臺新的功能和活力，觀眾視覺畫面不再單一停留于井字分割和縱深運行。

大布景升降臺設計安裝在舞臺后區，中間有1個停點位，主要功能是切換大型道具及演員串場調度，使大型道具及演員快速切換。

1.2.2 舞臺區臺上機械設備

臺上機械設備由64套電動吊桿、電動燈桿和側燈光吊排組成，其設備清單如表3所示。電動吊桿和電動燈桿不僅能單獨運行，還能多臺編組運行，用于吊掛景物、燈架；側燈光吊桿用于吊掛燈具。電動吊桿和電動燈桿布滿在舞臺區上空，每道間距約400～500 mm，承載400～1500 kg, 電動吊桿最大速度為0.8 m/s，電動燈桿最大速度為0.2 m/s。

表3 舞臺區臺上設備清單及技術參數

2 舞臺系統

2.1 舞臺區網絡系統

舞臺區控制系統與觀眾席區控制系統相似，分別是兩套獨立的控制系統，而舞臺區網絡控制系統更復雜，所以本文只做舞臺區控制系統介紹。舞臺區網絡系統由服務器、操作臺、研華交換機、倍福PLC、MOXA無線AP收發器、光纖收發器、CT變頻器組成，上位機與PLC通過以太網通信，PLC與變頻器、變頻器與變頻器采用EtherCAT通信，圓形臺的旋轉傾斜的PLC通過無線AP收發器與臺下PLC通信，臺上左右側PLC通過光纖通信。上位機由工控機、觸摸屏組成[4]。其網絡系統圖如圖3所示。

圖3 舞臺區網絡系統圖

2.2 舞臺區控制系統

舞臺區控制系統由上位機、交換機、倍福PLC、無線AP收發器、光纖收發器、CT變頻器、三相變頻器電動機、ELCO編碼器、上下限位開關、上下極限位開關、防剪切檢測開關等組成，上位機由工控機、觸摸屏組成。雙臺上位機互為冗余控制系統，均可獨立進行表演場景運行，實時監控及實時故障響應，同時通過動態優先權分配機制完成相互之間的邏輯互鎖；UPS電源防止劇場突然斷電，可以進行控制數據的保護；舞臺區的操作臺、升降臺、電動吊桿、電動燈桿配有急停按鈕，急停按鈕信號串聯在一起，防止意外發生。由于圓形臺的旋轉和傾斜控制電纜較多，采用無線通信，既減少了工程量，又節省了施工空間[5]。其控制系統如圖4所示。

圖4 舞臺區控制系統圖

3 舞臺控制軟件

3.1 PLC控制程序

PLC程序是在TwinCAT 2環境開發的，PLC程序采用功能模塊化程序設計，PLC程序由通信模塊、設備控制模塊、參數設置模塊、異常處理模塊、設備保護模塊等組成[6]。當上位機軟件啟動時，首先應與PLC建立通信鏈接。首先上位機與PLC通信的參數表，獲取PLC的IP地址，并與PLC建立鏈接，鏈接建立成功后，在程序運行期間，每一循環周期（100 ms），HMI軟件去PLC的數據塊讀寫一次。上位機軟件讀取PLC的數據：軸的當前位置、速度、狀態、工作模式（單控、集控、本地/遠程控制）、接收通信標志、發送通信標志。上位機傳送給PLC的數據：軸的設定位置、設定位置、延遲時間、系統是否允許標志及通信標志位。其控制流程如圖5所示。

圖5 PLC控制系統流程圖

3.2 上位機控制系統

上位機操作系統是基于Microsoft Windows 7系統，采用Visual Studio軟件開發的，采用了Windows中標準的窗口空間，如對話框（Dialog）、文本輸入框（Textbox）、列表框（List）、按鈕（Button）、單選按鈕（Radio Button）、多選按鈕（Checkbox）、鍵（Key）等。系統具有良好的人機界面，具有設備運行參數的設定、編組、場景設置/圖形數字動態顯示、屏幕菜單操作、自動記憶、故障診斷、故障處理提示等功能。操作權限分管理員、操作員等不同權限，由系統管理員進行分配。上位機組態軟件功能如圖6所示。

圖6 上位機功能框圖

3.2.1 上位機操作界面

當軟件啟動后，會彈出用戶登錄窗口。StageAPP設置4級權限，分別通過4個用戶名來實現，其中，權限級別越高，擁有的功能就越多。在用戶登錄的過程中，StageAPP會在后臺主動與PLC進行數據同步，數據同步成功后，StageAPP會提示數據同步成功，確保系統的安全可靠性。系統登錄成功后，直接進入操作主界面，主界面分為8個區域，分別是標題欄、功能按鈕、設備監控區、操作區、信息提示欄、狀態欄、功能菜單區、系統按鈕區，如圖7所示。

圖7 上位機主操作界面圖

標題欄顯示OEM廠家信息、本機軟件的名稱和系統時間；功能按鈕包含設備的操作、狀態的顯示和系統狀態的顯示；設備監控區用于顯示舞臺設備64個操作與監控通道，分兩頁顯示，每頁32個操作與監控通道；操作區用于設備、劇目選擇的相關界面；信息提示欄顯示軟件當前運行狀態和用戶的操作信息；狀態欄顯示系統當前狀態（系統狀態是否正常）、顯示用戶屬性（管理員、普通用戶）和用戶名稱、軟件工作模式（裝臺模式、演出模式、監控模式）；功能菜單按鈕用于劇目管理、設置配置、系統選項；系統按鈕區用于StageApp的工作模式選擇。

3.2.2 數據庫

數據庫采用MySQL8.0開發，根據功能把數據庫分為用戶表、實時數據表、歷史數據表、操作記錄、系統參數表、劇目表、故障記錄表、設備地址等[7]，數據庫如圖8所示。

圖8 StageAPP數據庫

用戶表負責賬號管理，主要記錄用戶登錄、操作人員身份識別及權限驗證等功能；實時數據表存儲系統的當前運行狀態，包括升降臺和吊桿的位置、速度等數據；操作記錄表記錄工作人員對系統的操作，包括用戶名、登錄時間及操作名稱；系統參數表存儲系統的設置信息，包括系統更新時間、上下軟限位的位置等；劇目表存儲舞臺劇目，可以復制粘貼相似劇目或場景，減輕了舞臺工作組人員的工作量；故障記錄表存儲設備報警、異常、故障信息及其發生的時間；設備地址表存儲網絡系統及總線系統中的設備通信IP地址及通信配置文件。

4 結語

“夢回巴國”劇場是專門為“夢回巴國”劇目量身設計打造的，是一場立足于古老巴國文化，展現從古至今磅礴壯美的自然景象、底蘊深厚的歷史文化、豐富多彩的人文風情和傳承不息的巴人精神的大型劇目，讓世界了解巴文化，知道巴文化。在該項目中，將舞臺機械控制系統的硬件部分和軟件部分采用標準功能模塊設計，按照工程實際需要，將標準模塊進行組合，實現控制系統設計的簡單化、功能的靈活化。其硬件、軟件配置均達到國內較先進的水平，可為目前國內劇場建設提供參考。